什么是鋰空氣電池？

　　鋰空氣電池，更準確的稱呼應該是鋰氧電池（Li-O2），是一種用鋰作負極，以空氣中的氧氣作為正極反應物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因為其陰極（以多孔碳為主）很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里。鋰空氣電池可以直接使用鋰金屬單質(zhì)（Li）和空氣中的氧氣（O2）作為電極。電池放電時，由氧氣氧化鋰單質(zhì)生成過氧化鋰（Li2O2），在外電路中產(chǎn)生電流；充電時再由過氧化鋰分解成鋰和氧氣。全過程無需其它質(zhì)量較大的元素參與，而陰極則可以直接使用重量和成本都可以忽略不計的空氣。

鋰空氣電池工作原理

　　鋰空氣電池的概念最早由Lockheed提出，電解液為堿性水溶液。氧氣在空氣電極上發(fā)生氧還原反應，形成氫氧化物。其放電反應方程為：

　　4Li+O2+2H2O→4LiOH（1-1）

　　放電過程中Li、H2O和O2被消耗，在Li表面生成了一層保護膜而阻礙電化學反應的快速進行。在開路或低功率的狀態(tài)下，Li的自放電率很高，并伴隨著Li的腐蝕反應：

　　Li+H2O→LiOH+1/2H2（1-2）

　　在水系電解液中，金屬Li極易和水反應，因此對鋰離子隔膜的阻水性有很高要求，目前還沒有商業(yè)化的產(chǎn)品。

然鵝，鋰空氣電池在電池業(yè)內(nèi)，卻是罵聲一片，這究竟是為什么？這是一個超大的忽悠坑，鋰電內(nèi)大牛之一Jeff Dahn以不客氣出名，把鋰空批得狗血淋頭，他有個評價鋰空的ppt一搜就有，應該去看看什么才是小李飛刀。他因為懂電池，所以每一刀都殺到致命要害處，我來挑幾個擺擺：

　　1.鋰空電池那高得嚇人的比容量是純扯淡，因為這是基于Li和O2這種質(zhì)量幾乎無算的物質(zhì)算出來的，你拿一個小小數(shù)當分母，當然會除出來一個巨大的數(shù)字，這小學生都會玩。但是電池的真正容量要算就要老老實實算上所有的電極組件（這還不包括把純氧從空氣中分離出來的設備，或者純氧鋼瓶的質(zhì)量，這些咱下面再說），Jeff Dahn一算，哈哈，并不比LiCoO2高多少。牛皮被徹底踢爆。

　　君不見后來蘇格蘭那位壞了名聲的鋰空“大牛”也只好扭扭捏捏地把Au電極的質(zhì)量也算進去了，Au有多重多貴，做電池是給土豪專用的嗎？（不過人家依然發(fā)在Science上，不服不行），結(jié)果容量現(xiàn)在捏去了水分就只有500多了（用了Au你還想要多少）。

　　2.鋰空還是鋰-純氧？這是兩個巨大不同的概念。鋰空概念股忽悠的是可以用免費的空氣實現(xiàn)巨大的容量，這簡直就是另一個神奇的水變油！但事實是必須用純氧，你不知道氮氣也會和鋰反應吧，而且是不可逆的，那么空氣中多少氮氣啊？所以做鋰空的人大腦會自動過濾去”如何有效可靠地從空氣中分離出純氧“這個問題，這是一個一直以來極其具有挑戰(zhàn)性的問題，如果可以實現(xiàn)非常高效低成本地從空氣中分離出純氧，那么很多能源問題就解決了，還費勁地搞什么電池？

　　對了，由于鋰空體系出了名的活潑（等下講），一般必須用高純氧，一般純氧里面有點點水啊什么的，那你就等著和鋰電極或電解液反應吧。想象一下以后汽車上載一個高純氧的大鋼瓶，這是在做火箭嗎？

　　3.IBM當年不知道被哪個作孽的給忽悠了，砸了一堆錢在鋰空項目上。但是后來整個項目被全部連根鏟掉，那個領頭的去了伯克利當發(fā)考題。其實IBM還是真正的業(yè)界良心，人家靜下心來好好研究了一番，結(jié)果最終發(fā)現(xiàn)----是誰把我們帶到這個遭瘟的大坑里來了。

　　事實是，這個體系比以前想象的要復雜太多，太多副反應，Li2O2、電極、電解液之間都有復雜的副反應，尤其是充電的過程，理應釋放出O2，但是IBM測了很多不同電解液和電極體系發(fā)現(xiàn)很多其實并不是原來聲稱的那樣。很多原來發(fā)表的文章現(xiàn)在看來其實都是電解液的副反應，錯得離譜！那一堆堆的文章，很多人大名都署在上面，比

　　如蘇格蘭的那位，本來是業(yè)界大牛，結(jié)果一不小心老了老了晚節(jié)不保了。雖然大家相信這都是“誠實的錯誤”不是學術(shù)腐敗，但不嚴謹?shù)拿弊哟蠹倚睦镌缇徒o老人家戴上了。確實很匪夷所思，那時鋰空吹得那么火，文章發(fā)的一堆堆，為什么就沒有人稍微看一看究竟電極反應的產(chǎn)物是什么呢？只要照一個紅外，大學本科生都能做，就能看到那一堆電解液副反應的產(chǎn)物（如碳酸鹽）。結(jié)果大家竟然都想當然地以為就是應該像想象中的反應一樣進行，這是什么鬼科研思維。

　　后來蘇格蘭的那位還在發(fā)，去年還有篇Nature Chem，用TTF做redox mediator，說是可以解決充電過程中overpotential的問題（他們竟然用的是眾所周知對鋰不穩(wěn)定的DMSO作為電解液），當然，大家都重復不出來他的結(jié)果。我和IBM那個被忽悠后去伯克利當發(fā)考題的大哥聊了一次，發(fā)現(xiàn)他們在被IBM砍掉前也重復過了，結(jié)果也郁悶地發(fā)現(xiàn)用TTF甚至比不用釋放的氧氣還少，證明TTF也在參與副反應，然后他們就沒有然后了。我說我們其實也聽說加了TTF電解液顏色都變了，然后我們默默無言以對。。。我們在對方眼中都看到了一千批駝羊同時飛過。

　　所以現(xiàn)在新興一個奇葩鋰空方向是來給鋰空電池系統(tǒng)找各種奇葩缺陷，這種“找錯誤”的游戲也竟然發(fā)了不少文章那！很多文章還確實不錯，各種技術(shù)手段用起來一測，哈，發(fā)現(xiàn)這個鋰空可真有意思，什么副反應都有。不過這些文章最起碼更靠譜一些，能給不知水深水淺的菜鳥們提個醒，別一不小心掉到坑里。

　　掉到這個坑里最著名的人是前DOE掌門人Steven 朱，人家是搞物理的，作為拿過諾獎的大牛，不知被哪個缺德的給忽悠了，有一陣子天天吹鋰空（直聽得下面一堆做電池的行內(nèi)人一身汗加一身汗）。不過還算被勸得快，后來不怎么太提了。

　　4.鋰負極的問題，所有鋰空的概念如果可行的話，都要基于鋰金屬可以作為負極材料。但是鋰金屬做負極早在20年前就被工業(yè)界拋棄了，因為有枝晶生長造成短路讓電池變?nèi)紵龔椀目赡堋，F(xiàn)在為了炒鋰空概念又倒回去了，所以Jeff Dahn 說：Am I a dinosaur? 鋰負極的問題不解決，鋰空根本不能用。

　　反之，如果鋰負極的問題解決了，鋰空就能用了嗎？未必，分離純氧、一堆副反應還等著你呢。再說如果鋰負極問題解決了，那么很多現(xiàn)在的鋰離子電池就可以直接換裝鋰負極，性能會大大提高，為啥要弄你那個又不可靠又要背氧氣瓶的鋰空呢？

　　5. 鋰空概念如果除去基礎科研的意義，那就是一個很爛的忽悠坑。珍惜生命，遠離鋰空。

鋰空和鋰離子電池區(qū)別

　　以下為鋰離子電池在充放電時電池內(nèi)部狀態(tài)示意圖。傳統(tǒng)鋰離子電池中，正極是碳，而負極則是由不同的過渡金屬氧化物組成，比如鈷、鎳、錳等。兩個電極都浸泡在溶有鋰鹽的電解液中。在充放電時，鋰離子會從一個電極向另外一個電極移動。移動的方向根據(jù)根據(jù)電池狀態(tài)的不同，充電或者放電，而不同。在充放電時，鋰離子最終會嵌入到電極材料的原子層，因而最終電池的容量大小取決于有多少材料能夠容納鋰離子，即由電極的體積與質(zhì)量決定。

　　鋰空氣電池有所不同。在金屬空氣電池中，發(fā)生的是電氣化學反應。在放電過程中，含有鋰的正極釋放出鋰離子，鋰離子向負極移動，并在負極表面與氧氣發(fā)生反應，形成過氧化鋰（Li2O2）。

　　鋰離子、電子與氧氣是在多孔碳形成的負極表面產(chǎn)生反應，因為化學反應并非發(fā)生在負極上，最終容納鋰離子的并非是負極材料，因而電池的容量與負極材料的體積或質(zhì)量并沒有太大關系，只要有足夠大的表面積即可。

　　也就是說，鋰空氣電池的容量并不是由電極的體積與質(zhì)量決定，而是電極的表面積。這就是為什么在鋰空氣電池中，質(zhì)量很小的電極也能夠儲存大量的能量，從而得到較高的能量密度。

　　鋰空氣電池與鋰離子電池用途相同，對于鋰空氣電池的發(fā)展研究，噱頭大于實際。現(xiàn)在研究這個的很多組，大部分是從燃料電池轉(zhuǎn)行的，把燃料電池的一些東西放上去，直接往一次電池上面做，然后鋰枝晶的問題怎么解決？更別提往二次上面去做了，主要是為了那科研經(jīng)費吧？往生產(chǎn)實際上說，其實很多組還雜用Pt作為催化劑，電解液的揮發(fā)與污染還沒有很好的解決，現(xiàn)在大部分還在做基礎研究，要應用和生產(chǎn)可能是十幾年或者幾十年的東西，遠沒有鋰離子電池的各項研究實際。

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